ОСОБЕННОСТИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ¹³⁷Cs И ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В КОМПОНЕНТАХ ДРЕВОСТОЯ  ЛЕСНЫХ БИОГЕОЦЕНОЗОВ*

 

Цветнова О.Б., Щеглов А.И. (МГУ, г. Москва, РФ)

 

The peculiarities of distribution of  ¹³⁷Cs  and heavy metals (Pb, Cu, Cd, Zn) in pine tree components are considered.

 

Как известно, первым барьером на пути техногенных выпадений из атмосферы является растительный ярус наземных экосистем, в первую очередь лесных. В настоящее время достаточно хорошо изучена задерживающая способность древесных растений по отношению к аэральным радиоактивным выпадениям, а также распределение радионуклидов по компонентам растений как на этапе первичных выпадений, так и в последующем – на этапе их корневого потребления [1,5]. В меньшей степени это относится к другим техногенным аэральным выпадениям, в частности тяжелым металлам (ТМ). Вместе с тем, глобальное загрязнение окружающей среды элементами различной природы  предопределяет необходимость изучения их совместного действия на живые компоненты биосферы. Первичное распределение и последующее перераспределение техногенных загрязнителей в лесных биогеоценозах (БГЦ) имеет свою специфику по сравнению с таковыми в других типах природных и агроэкосистем, в первую очередь, это касается древесного яруса. Рассмотрение особенностей распределения элементов загрязнителей различной природы (радионуклидов на примере ¹³⁷Cs и ТМ на примере Pb, Cu, Cd, Zn) в компонентах древостоя лесов при различных уровнях антропогенной нагрузки явилось целью настоящей работы. Исследования проводились в  однотипных сосновых БГЦ Смоленской (участок 1) и Брянской (участок 2)  областей  РФ, где плотность загрязнения по ¹³⁷Cs составляла 21,3 и 2659  кБк/м², соответственно. Подробная радиоэкологическая, почвенно-геоботаническая характеристика объектов исследования представлена в наших предыдущих публикациях [4,5].  Считаем целесообразным более подробно остановиться на методических аспектах проведения данных работ. Определение  содержания  ¹³⁷Cs и ТМ в компонентах древостоя проводили на основания взятия модельных деревьев Pinus sylvestris L. Выбор модельных деревьев осуществлялся с учетом таксационного описания растительного покрова экспериментальных участков. Затем выбранное модельное дерево, близкое по параметрам к средним для определенных возрастных категорий, спиливали и разделяли на структурные части: прирост хвои текущего года формирования, хвоя прошлых лет формирования, ветви крупные (толщиной > 1 см), ветви мелкие (толщиной < 1 см), генеративные органы – шишки. Отбор компонентов производили равномерно по всей кроне. Отбор проб коры наружной (мертвые покровные ткани, кутикула, эпидерма, пробка) и внутренней (флоэма), а также  древесины осуществляли из выпилов, сделанных на разной высоте ствола – у комля, в середине и вершине. Все пробы растительного яруса измельчали, затем высушивали при температуре 105ºС и тщательно размалывали до однородной массы. Определение содержания ¹³⁷Cs проводили на гамма-анализаторе Nokia 49002, ТМ – на атомно-адсорбционном спектрофотометре С-115-М1.

Проведенные исследования показали, что уровни загрязнения древесного яруса находятся в прямой зависимости от плотности загрязнения  почв, при этом содержание ¹³⁷Сs в  компонентах сосны неравномерно и колеблется в интервале 5,9 - 43,9 Бк/кг (уч.1) и 7,3 – 126,3 кБк/кг (уч.2) (табл.1).

 

Таблица 1 - Содержание ¹³⁷Сs и тяжелых металлов в компонентах древесного яруса сосновых БГЦ

Струк­турный компо­нент	Участок 1					Участок 2
	137Сs, Бк/кг	Pb	Cd	Zn	Cu	137Сs, кБк/кг	Pb	Cd	Zn	Cu
		мг/кг					мг/кг
Д*	5,9	0,1	0,04	18	1	7,3	0,34	0,08	19,5	0,9
Кв	21,4	0,55	0,24	56	2,4	115	0,67	0,79	75	2,3
Кн	15,0	0,75	0,04	16	2,4	21,6	0,84	0,42	21	1,8
Вкр.	44,2	0,55	0,04	26	2,8	-	-	-	-	-
Вм	16,0	0,55	0,07	41	4,4	26,6	1,75	0,17	35,3	5
Хв.	19,1	0,55		35,5	3,5	40,9	0,67	0,03	44	3
Прир.	43,9	0,75	0,04	35,5	4,6	126,3	0,50	0,11	36,8	4,6
Ш.	-	-	-	-	-	97,2	0,50	0,06	16,5	2,5

* -  Д- древесина, Кв. – кора внутренняя, Кн- кора наружная , Вкр – ветви крупные, Вм - ветви мелкие, Хв – хвоя прошлых лет, прир – прирост текущего года формирования, шиш - шишки

 

Вместе с тем в наибольшей степени загрязнены ассимилирующие органы и внутренние слои коры, минимально загрязнена древесина, в отдельных случаях отмечается повышенное содержание ¹³⁷Сs в ветвях. В целом такое распределение ¹³⁷Сs  характерно для древесных пород, произрастающих в условиях радиоактивного загрязнения, и связано с особенностями корневого потребления радионуклидов [5]. Также неравномерно распределение ¹³⁷Сs по высоте ствола (табл.2). Особенно отчетливо это видно на примере древесины наиболее загрязненного участка (уч.2), где эти различия составляют почти 40-кратную величину. Так, содержание ¹³⁷Сs в древесине снижается от вершины к комлю, что обусловлено особенностями вклада годовых колец древесины прироста текущего года в общую массу древесины. Поскольку эти годовые кольца загрязнены значительно больше, чем образованные в предыдущие годы, вклад годовых колец текущего года формирования в привершинной части максимален. Загрязнение коры внутренней по длине ствола максимально в комлевой части, минимально – в вершинной, что определяется не только корневым поступлением радионуклидов (т.е. особенностями вертикального передвижения веществ по растению), но и загрязнением наружных слоев коры, которое в основном обусловлено поверхностным загрязнением. Так же как и кора внутренняя, большей концентрацией ¹³⁷Сs характеризуется кора наружная в комлевой части. Это связано с  повышенной сорбционной способностью мощных омертвевших слоев коры в нижней части ствола и дополнительным загрязнением комля за счет поступления радионуклидов с кроновыми и стволовыми водами [5]. На участке с незначительными уровнями радиоактивного загрязнения распределение радиоцезия в компонентах ствола более равномерно.

 

Таблица 2 - Распределение ¹³⁷Сs и ТМ по высоте ствола сосны обыкновенной

*- кБк/кг; ** - Д- древесина, Кв – кора внутренняя, Кн- кора наружная

 Наши исследования показали, что уровни накопления ТМ металлов в компонентах сосновых фитоценозов различны, хотя по содержанию этих элементов в компонентах древесного яруса исследуемые фитоценозы значимо не различаются. В древесном ярусе максимальные уровни накопления отмечаются для Zn и Сu и минимальные для Рb и Cd (табл.1). Это вполне закономерно, поскольку Zn и Сu являются облигатными элементами. При этом в целом содержание тяжелых металлов в древесных растениях практически не превышает ПДК, за исключением Cd [3]. Распределение ТМ в структурных компонентах исследуемых сосновых фитоценозов  относительно сходно, но несколько отличается от распределения ¹³⁷Сs. Так, распределение Рb в компонентах сосны на участке с невысокой техногенной нагрузкой (уч.1) относительно однородно и в большинстве компонентов одинаково, за исключением коры наружной и хвои текущего года формирования, где отмечается некоторое превышение этой величины. Абсолютный минимум содержания Pb отмечается в древесине. Для участка с высокой плотностью радиоактивного загрязнения (уч.2) столь однородного распределения Рb по компонентам сосны не отмечается, однако повышенное содержание наблюдается в тех же структурах, что и на участке 1: коре наружной, ветвях мелких. Минимальной концентрацией характеризуется древесина. Такое же относительно однородное распределение характерно для Cd. Однако для этого элемента максимум содержания в древостое на исследуемых участках отмечается в коре внутренней, а минимальное количество - в хвое прошлых лет формирования, причем данные экстремумы более выражены.  Для Zn и Сu такой однородности в распределении по компонентам сосны не отмечается. Максимумы в содержании цинка и меди приурочены к физиологически активно растущим структурам (прирост, ветви мелкие, кора внутренняя), минимальное количество наблюдается в коре наружной и древесине.

Распределение тяжелых металлов по высоте ствола также неоднозначно (табл.2). Наиболее однотипным распределением характеризуется кадмий. Для всех структур (древесина, кора наружная, кора внутренняя) практически не выражены или слабо выражены определенные закономерности в распределении этого элемента по высоте ствола, за исключением коры сосны на уч.2, где отмечается  его заметное нарастание его количества от вершины к комлю. Для Рb характерно акропетальное распределение (т.е. от комля к вершине),  что в целом свойственно необлигатным элементам, каковым является Рb [2]. Вместе с тем повышенное накопление Pb в коре наружной в комлевой части может свидетельствовать также и об аэральном характере его поступления. Аналогично ¹³⁷Сs элементы аэральных выпадений первоначально накапливаются в органах, экспонированных к этим выпадениям, а затем, как уже отмечалось,  в результате процессов перемещения элементов со стоковыми водами в основном поступают  в комлевую часть ствола.

В целом совокупный анализ содержания и распределения ¹³⁷Сs и ТМ в древесном ярусе показал, что структурами, характеризующимися максимальным накоплением всех элементов-загрязнителей, являются прирост ассимилирующие органы текущего года формирования и внутренние слои коры. Минимальное количество всех элементов накапливается в древесине. В отличие ¹³⁷Сs, современное загрязнение ТМ исследуемых лесных БГЦ в большей степени обусловлено корневым путем; для Рb возможен аэральный путь поступления.

Литература

1.        Алексахин Р.М., Нарышкин М.А. Миграция радионуклидов в лесных биогеоценозах. М.: Наука, 1977. 144 с.

2.        Кабата-Пендиас А., Пендиас Х. Микроэлементы в почвах и растениях. М.:Мир, 1989 439 с.

3.        Орлов Д.С., Садовникова Л.К., Лозановская И.Н. Экология и охрана биосферы при химическом загрязнении. М.: Высшая школа, 2002. 334 с.

4.        Цветнова О.Б., Щеглов А.И. Роль мохового покрова лесных экосистем в биогеохимической миграции загрязнителей различной природы // Сб.научных трудов БГТА. Вып.7. Брянск, 2003. С.64-66

5.        Shcheglov F.I., Tsvetnova O.B., Klyashtorin A.L. Biogeochemical migration of technogenic radionuclides in forest ecosystems. M.: Nauka. 2001. 235 p.

 

(*) Работа выполнена при поддержке РФФИ (01-00-48354), фонда Университеты России